(57)【要約】【課題】簡単且つコンパクトな構成で、外部荷重の付与により燃料電池に位置ずれが発生することを良好に抑制することを可能にする。【解決手段】燃料電池自動車１０を構成する燃料電池スタック１２では、燃料電池１４の積層方向両端に配設された第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂ同士は、連結バー２４ａ等により連結されるとともに、前記第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂ間には、中間プレート２８が配置される。第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂは、マウント部材６６ａ、６６ｂによりフレーム部材６８に固定され、中間プレート２８は、マウント部材６６ｃにより前記フレーム部材６８に固定される。連結バー２４ａは、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂと中間プレート２８とにボルト２６を介して締結される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が車両幅方向に積層される燃料電池スタックを備え、前記燃料電池スタックは、前記燃料電池の積層方向両端にエンドプレートが配設され、前記エンドプレート間には、中間プレートが配置されるとともに、前記エンドプレート同士は、複数本の締結部材により連結される燃料電池車両であって、
一対の前記エンドプレートをフレーム部材に固定するための第１固定機構と、
前記中間プレートを前記フレーム部材又は他のフレーム部材に固定するための第２固定機構と、
を備えるとともに、
少なくとも車両前方に配置される前記締結部材は、一対の前記エンドプレート及び前記中間プレートに締結されることを特徴とする燃料電池車両。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池車両において、前記車両前方に配置される前記締結部材は、第１締結部と第２締結部とに分割されるとともに、
前記第１締結部は、一方の前記エンドプレートと前記中間プレートとに両端が締結され、且つ、前記第２締結部は、他方の前記エンドプレートと前記中間プレートとに両端が締結されることを特徴とする燃料電池車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が車両幅方向に積層される燃料電池スタックを備える燃料電池車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
車載用燃料電池スタックでは、相当に多数の発電セルが積層されるため、各発電セル同士を正確且つ確実に位置決め固定しなければならない。このため、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックの締結構造が知られている。
【０００４】
この締結構造では、図７に示すように、膜電極アセンブリー及び分離板（セル）が交互に積層されて燃料電池スタック１が形成されるとともに、前記燃料電池スタック１の両終端には、それぞれエンドプレート２ａ、２ｂが装着されている。エンドプレート２ａ、２ｂには、Ｕ字形に形成された第１締結バンド３及び第２締結バンド４が取り付けられている。
【０００５】
第１締結バンド３は、燃料電池スタック１の平行な二つの側面上に延在する一方、第２締結バンド４は、前記燃料電池スタック１の平行な他の二つの側面上に延在している。その際、第１締結バンド３及び第２締結バンド４の開放部は、それぞれ互いに異なるエンドプレート２ａ、２ｂに弾支されており、前記第１締結バンド３及び前記第２締結バンド４は、互いに交差していない。
【０００６】
これにより、不必要なベンディング荷重を最少化するので、燃料電池スタック１の気密性を向上させることが可能になるとともに、前記燃料電池スタック１全体の体積をコンパクトにできる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１４２１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許文献１では、例えば、燃料電池スタック１が燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される際、前記燃料電池スタック１の積層方向は、車両前後方向（矢印Ｘ方向）に交差する車幅方向（矢印Ｙ方向）に設定される場合がある。ここで、燃料電池スタック１は、両端のエンドプレート２ａ、２ｂに第１締結バンド３及び第２締結バンド４を介して締結されているだけであり、支点間距離が相当に長尺化している。
【０００９】
このため、衝突等により車両前方から外部荷重（衝撃）が燃料電池スタック１に付与されると、特に前記燃料電池スタック１の積層方向中央側のセルが車両前方（矢印Ｘ１方向）に大きく飛び出してしまう（図７中、二点鎖線参照）。従って、セル同士の位置ずれが大きくなるとともに、第１締結バンド３に過大な負荷が作用するため、前記第１締結バンド３自体を相当に厚肉に構成しなければならない。これにより、第１締結バンド３が大型化して重量物となり、取り扱い作業性が低下するという問題がある。
【００１０】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、外部荷重の付与により燃料電池に位置ずれが発生することを良好に抑制することが可能な燃料電池車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が車両幅方向に積層される燃料電池スタックを備え、前記燃料電池スタックは、前記燃料電池の積層方向両端にエンドプレートが配設され、前記エンドプレート間には、中間プレートが配置されるとともに、前記エンドプレート同士は、複数本の締結部材により連結される燃料電池車両に関するものである。
【００１２】
この燃料電池車両では、一対のエンドプレートをフレーム部材に固定するための第１固定機構と、中間プレートを前記フレーム部材又は他のフレーム部材に固定するための第２固定機構とを備えるとともに、少なくとも車両前方に配置される締結部材は、一対の前記エンドプレート及び前記中間プレートに締結されている。
【００１３】
また、この燃料電池車両では、車両前方に配置される締結部材は、第１締結部と第２締結部とに分割されるとともに、前記第１締結部は、一方のエンドプレートと中間プレートとに両端が締結され、且つ、前記第２締結部は、他方のエンドプレートと前記中間プレートとに両端が締結されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、一対のエンドプレートは、第１固定機構を介してフレーム部材に固定される一方、中間プレートは、第２固定機構を介して前記フレーム部材又は他のフレーム部材に固定されている。このため、一対のエンドプレート及び中間プレートは、車両に対して強固且つ確実に保持されている。
【００１５】
さらに、車両前方に配置される締結部材は、一対のエンドプレート及び中間プレートに締結されている。従って、燃料電池スタック内は、中間プレートにより独立した領域に分割されるため、支点間距離が大幅に短尺化される。これにより、燃料電池車両に車両前方から外部荷重が付与された際、積層されている燃料電池の飛び出し量が大幅に削減されるとともに、締結部材自体の小型化及び軽量化が容易に図られる。
【００１６】
このため、簡単且つコンパクトな構成で、外部荷重の付与により燃料電池に位置ずれが発生することを良好に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池自動車の平面説明図である。
【図２】前記燃料電池車両を構成する燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックの側面説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックの動作説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池車両を構成する燃料電池スタックの側面説明図である。
【図７】特許文献１に開示されている燃料電池スタックの締結構造の斜視説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池自動車（燃料電池車両）１０は、フロントボックス（所謂、モータルーム）（車体内部）１１に収容される燃料電池スタック１２を備える。
【００１９】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１４が、立位姿勢で燃料電池自動車１０の走行方向（矢印Ａ方向）に交差する車両幅方向（矢印Ｂ方向）に積層される。複数の燃料電池１４の積層方向両端には、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂと絶縁プレート１８ａ、１８ｂとを介装して第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂが配設される。
【００２０】
第１エンドプレート２０ａの中央部からは、ターミナルプレート１６ａに接続された出力端子２２ａが延在する一方、第２エンドプレート２０ｂの中央部からは、ターミナルプレート１６ｂに接続された出力端子２２ｂが延在する（図１及び図２参照）。
【００２１】
第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂは、横長の長方形状を有するとともに、燃料電池１４よりも大きな外形形状を有する。第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂの各辺間には、連結バー（締結部材）２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄが配置される。
【００２２】
連結バー２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄは、両端が第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂにボルト２６を介して固定されており、複数の積層された燃料電池１４に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重を付与する。連結バー２４ａは、燃料電池自動車１０の走行方向前方（矢印Ａｆ方向）に配置される一方、連結バー２４ｃは、前記燃料電池自動車１０の走行方向後方（矢印Ａｂ方向）に配置される。
【００２３】
燃料電池スタック１２は、燃料電池１４の積層方向の任意の位置に、例えば、積層方向中央に、中間プレート２８が介装される。中間プレート２８は、第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂと同一の外形寸法に設定されるとともに、同一の材料で構成することができる。
【００２４】
図３に示すように、燃料電池１４は、横長の長方形状を有するとともに、電解質膜・電極構造体３０が、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４に挟持される。第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。
【００２５】
燃料電池１４の矢印Ａ方向（図３中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ｂ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３８ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２６】
燃料電池１４の矢印Ａ方向の他端縁部には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３８ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２７】
燃料電池１４の矢印Ｃ方向の上端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４０ａが設けられるとともに、前記燃料電池１４の矢印Ｃ方向の下端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４０ｂが設けられる。
【００２８】
中間プレート２８には、図示しないが、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂに対応する位置に、それぞれの流体（酸化剤ガス、燃料ガス、冷却媒体）を流通させる連通孔が設けられている。
【００２９】
第１セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとに連通する酸化剤ガス流路４２が設けられる。
【００３０】
第２セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとに連通する燃料ガス流路４４が設けられる。
【００３１】
互いに隣接する燃料電池１４を構成する第１セパレータ３２の面３２ｂと、第２セパレータ３４の面３４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４０ａと冷却媒体出口連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路４６が設けられる。
【００３２】
第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４には、それぞれシール部材４８、５０が、一体的又は個別に設けられる。シール部材４８、５０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
【００３３】
電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード電極５４及びアノード電極５６とを備える。
【００３４】
カソード電極５４及びアノード電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５２の両面に形成されている。
【００３５】
図２に示すように、第１エンドプレート２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂに連通する酸化剤ガス供給マニホールド６０ａ、酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂ、燃料ガス供給マニホールド６２ａ及び燃料ガス排出マニホールド６２ｂが取り付けられる。
【００３６】
図４に示すように、第２エンドプレート２０ｂには、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂに連通する冷却媒体供給マニホールド６４ａ及び冷却媒体排出マニホールド６４ｂが取り付けられる。
【００３７】
なお、上記の構成に代えて、第１エンドプレート２０ａには、全てのマニホールド（酸化剤ガス供給マニホールド６０ａ、酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂ、燃料ガス供給マニホールド６２ａ、燃料ガス排出マニホールド６２ｂ、冷却媒体供給マニホールド６４ａ及び冷却媒体排出マニホールド６４ｂ）を設けてもよい。また、第１エンドプレート２０ａに代えて、第２エンドプレート２０ｂに、全てのマニホールドを設けてもよい。
【００３８】
図２及び図４に示すように、第１エンドプレート２０ａには、一対のマウント部材（第１固定機構）６６ａの一端が固定されるとともに、前記一対のマウント部材６６ａの他端は、フレーム部材６８に固定される。第２エンドプレート２０ｂには、一対のマウント部材（第１固定機構）６６ｂの一端が固定されるとともに、前記一対のマウント部材６６ｂの他端は、フレーム部材６８に固定される。
【００３９】
中間プレート２８には、矢印Ａ方向両端に、それぞれマウント部材（第２固定機構）６６ｃの一端が固定されるとともに、前記一対のマウント部材６６ｃの他端は、フレーム部材６８に固定される。
【００４０】
フレーム部材６８は、燃料電池搭載用のフレーム部材であり、燃料電池自動車１０を構成する車体フレーム（図示せず）に取り付けられる。なお、フレーム部材６８は、直接、車体フレームの一部を構成してもよい。また、マウント部材６６ｃは、他のマウント部材６６ａ、６６ｂとは異なるフレーム部材に固定されてもよい。
【００４１】
図４に示すように、少なくとも車両前方に配置される連結バー２４ａは、中間プレート２８の車両走行方向前方の端面に、ボルト２６を介して固定（締結）される。なお、他の連結バー２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄは、必要に応じて中間プレート２８の端面にボルト２６を介して固定してもよい。
【００４２】
このように構成される燃料電池自動車１０において、燃料電池スタック１２の動作について、以下に説明する。
【００４３】
先ず、図２及び図３に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド６０ａから酸化剤ガス入口連通孔３６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給マニホールド６２ａから燃料ガス入口連通孔３８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、図３及び図４に示すように、冷却媒体供給マニホールド６４ａから冷却媒体入口連通孔４０ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４４】
このため、図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａから第１セパレータ３２の酸化剤ガス流路４２に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ａ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するカソード電極５４に供給される。
【００４５】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａから第２セパレータ３４の燃料ガス流路４４に導入される。この燃料ガスは、矢印Ａ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するアノード電極５６に供給される。
【００４６】
従って、電解質膜・電極構造体３０では、カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。これにより、図示しない走行用モータに電力が供給されるため、燃料電池自動車１０は、走行可能になる。
【００４７】
次いで、カソード電極５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに沿って矢印Ｂ方向に流通し、酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂから排出される（図２参照）。一方、アノード電極５６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３８ｂに沿って矢印Ｂ方向に流通し、燃料ガス排出マニホールド６２ｂから排出される。
【００４８】
また、冷却媒体入口連通孔４０ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４間の冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４０ｂを流通し、冷却媒体排出マニホールド６４ｂから排出される（図４参照）。
【００４９】
燃料電池自動車１０では、上記のように、燃料電池スタック１２から電力が供給されて走行される。その際、図５に示すように、燃料電池自動車１０に前方から衝撃である外部荷重Ｆが加わる場合がある。
【００５０】
その際、第１の実施形態では、第１エンドプレート２０ａは、マウント部材６６ａを介してフレーム部材６８に固定されるとともに、第２エンドプレート２０ｂは、マウント部材６６ｂを介して前記フレーム部材６８に固定されている。一方、燃料電池スタック１２の積層方向中央に配置されている中間プレート２８は、マウント部材６６ｃを介してフレーム部材６８（又は、他のフレーム部材）に固定されている。
【００５１】
このため、第１エンドプレート２０ａ、第２エンドプレート２０ｂ及び中間プレート２８は、フレーム部材６８を介して燃料電池自動車１０に対し強固且つ確実に保持されている。
【００５２】
さらに、燃料電池自動車１０の前方（走行方向前方）に配置されている連結バー２４ａは、第１エンドプレート２０ａ、第２エンドプレート２０ｂ及び中間プレート２８に、それぞれボルト２６を介して締結されている。従って、燃料電池スタック１２内は、中間プレート２８により２つの独立した領域に分割されている。
【００５３】
このため、支点間距離（第１エンドプレート２０ａと中間プレート２８との距離、及び前記中間プレート２８と第２エンドプレート２０ｂとの距離）は、中間プレート２８を使用しない場合の支点間距離（第１エンドプレート２０ａと第２エンドプレート２０ｂとの距離）に比べて大幅に短尺化、具体的には、半減されている。
【００５４】
これにより、燃料電池自動車１０から燃料電池スタック１２に外部荷重Ｆが付与されると、前記燃料電池スタック１２を構成する燃料電池１４は、中間プレート２８を境にして積層方向の半数ずつが、慣性力により走行方向前方（矢印Ａｆ方向）に移動しようとする。このため、積層されている燃料電池１４の飛び出し量が大幅に削減され、連結バー２４ａは、それぞれの分割領域で支持する荷重が良好に削減される。
【００５５】
従って、連結バー２４ａの小型化及び軽量化が容易に図られる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、外部荷重Ｆの付与により燃料電池１４に位置ずれが発生することを良好に抑制することが可能になるという効果が得られる。
【００５６】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池自動車（燃料電池車両）８０を構成する燃料電池スタック８２の側面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池自動車１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５７】
燃料電池スタック８２は、燃料電池自動車８０の走行方向前方に配置される連結バー（連結部材）８４ａ、８４ｂを備える。連結バー８４ａ、８４ｂは、第１の実施形態の連結バー２４ａを２分割した構成を有し、それぞれの一端は、ボルト２６により第１エンドプレート２０ａと第２エンドプレート２０ｂとに固定される。
【００５８】
連結バー８４ａ、８４ｂのそれぞれの他端は、例えば、互いに入れ子状に係合する突出部８６ａ、８６ｂを構成する。突出部８６ａ、８６ｂは、それぞれ互いの切り欠き位置に配置されることにより、全体として単一の連結バーを構成している。突出部８６ａ、８６ｂは、ボルト２６により中間プレート２８に固定される。
【００５９】
このように構成される第２の実施形態では、連結部材が連結バー８４ａと８４ｂとに２分割されるため、前記連結バー８４ａ、８４ｂにより支持する荷重が削減され、小型化及び軽量化が容易に図られる。従って、連結バー８４ａ、８４ｂの取り扱い作業性が一層向上するという利点がある。
【符号の説明】
【００６０】
１０、８０…燃料電池自動車            １２、８２…燃料電池スタック
１４…燃料電池                        ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２４ａ〜２４ｄ、８４ａ、８４ｂ…連結バー
２６…ボルト                          ２８…中間プレート
３０…電解質膜・電極構造体            ３２、３４…セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔          ３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３８ａ…燃料ガス入口連通孔            ３８ｂ…燃料ガス出口連通孔
４０ａ…冷却媒体入口連通孔            ４０ｂ…冷却媒体出口連通孔
４２…酸化剤ガス流路                  ４４…燃料ガス流路
４６…冷却媒体流路                    ４８、５０…シール部材
５２…固体高分子電解質膜              ５４…カソード電極
５６…アノード電極                    ６６ａ〜６６ｃ…マウント部材
６８…フレーム部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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